Den magnetohydrodynamiske (MHD) er en vitenskapelig disiplin som beskriver oppførselen til en flytende leder av elektrisk strøm i nærvær av elektromagnetiske felt . Det gjelder spesielt plasmaer , den ytre kjernen og til og med sjøvann .
Det er en generalisering av hydrodynamikk (oftere kalt fluid dynamics , definert av Navier-Stokes ligningene ) kombinert med elektromagnetisme ( Maxwells ligninger ). Mellom "klassisk" væskemekanikk og magnetohydrodynamikk er elektrohydrodynamikken eller mekanikken til ioniserte væsker i nærvær av elektriske felt ( elektrostatisk ), men uten magnetfelt .
Magnetohydrodynamiske kraftverk gir potensialet for storskala kraftproduksjon med redusert miljøpåvirkning. MHD-generatorer er også av interesse for å produsere store pulser med elektrisk kraft.
Den første forskeren som interesserte seg for emnet, var Humphry Davy i 1821 da han viste at en lysbue kan avbøyes av et magnetfelt. Cirka ti år senere planlegger Michael Faraday å demonstrere eksistensen av en elektromotorisk kraft i en elektrisk leder i bevegelse utsatt for jordens magnetfelt ; det er fenomenet elektromagnetisk induksjon . Med dette i bakhodet perfeksjonerte han i januar 1832 et første konsept med en MHD-generator som han testet på Waterloo bridge i London . Selv om det er tilfeldig, vil denne opplevelsen føre til Lenz-Faradays lov .
Kraftproduksjon grundige undersøkelser av MHD fortsette XX th -tallet, først gjennomført av den ungarske fysikeren Béla Karlovitz (i) som utvikler en MHD generator i laboratorier Westinghouse i 1938. I mellomtiden, fysikeren svenske Hannes Alfvén , som var den første til å bruker begrepet magnetohydro i 1942, studerer forplantning av alfvénbølger i plasma av den magneto . Avbrutt under andre verdenskrig, ble utvikling og forskning i MHD gjenopptatt på 1960-tallet takket være arbeidet til Richard J. Rosa og bistanden fra USAs energidepartement, som deretter startet forskning i Avco Everett-laboratoriene.
Samtidig orienterer de mulige anvendelsene av plasmafysikk på ny teknologisk utvikling (demping og refleksjon av sjokkbølger , kjernefusjon , MHD fremdrift ) de første studiene initiert av ingeniører fremdrift av MHD som en vektor for strategisk forskning under den kalde krigen som bevist av et dokument som ble avklassifisert av det amerikanske luftforsvaret i 1992 og distribuert av magasinet Jane's Defense Weekly i 1998. Først regissert av Tom Clancy i sin spionroman Jakten på den røde oktober , MHD-fremdriftsmodus ble senere avslørt for allmennheten i romanens filmatisering In Pursuit of Red October i 1990. Denne skjønnlitteraturen ble virkelighet 19. juni 1992 med den første navigasjonen av den japanske sivile MHD-drevne. skipsdemonstrator, Yamato 1 .
Det er flere modeller av magnetohydrodynamikk, avhengig av graden av kompleksitet som kreves. Blant de mest brukte og enklere er:
Valget av den ene eller den andre av disse to modellene er avhengig av verdien av det magnetiske Reynolds tall R m . Dette tallet, brukt i MHD, blir dermed navngitt analogt med Reynolds-tallet i hydrodynamikk, det indikerer viktigheten av termen for konveksjon sammenlignet med diffusjon i en væske utsatt for et magnetfelt.
I tillegg til valget mellom ideell MHD og resistiv MHD, er det nødvendig med viskositeten til væsken der studien er gjort. For dette introduserer vi Hartmann-tallet som er forholdet mellom magnetiske krefter og viskositetskrefter.
Den ideelle MHD , også kjent som et høyt magnetisk Reynolds-tall (R m ≫ 1), er den enkleste formen for MHD. Væsken, utsatt for et sterkt magnetfelt, behandles som lite eller ingen elektrisk motstand, og den blir assimilert til en perfekt leder. Den Lenz lov gjelder, slik at væske og magnetiske feltlinjer henger sammen: de sier at feltlinjene er "frosset" ( " frosset i ") i væsken (vi kan også si at væsken er frosset i det magnetiske feltet). I tilfelle hvor væsken er en perfekt leder, nedsenket i et konstant og jevnt magnetfelt Bo i som forplanter seg i samme retning som retningen til dette feltet, en bølge hvis magnetfelt er retvinklet til Bo, sier vi at Alfvéns teorem er fornøyd. En analogi er å sammenligne væsken med en kam og feltlinjene til håret: hårets bevegelse følger nøyaktig den av kammen. Denne ideelle MHD studeres i varme plasmaer, slik som astrofysiske og termonukleære plasmaer av naturlig ( stjerner ) eller kunstig ( tokamaks ) opprinnelse .
Ligningene til den ideelle MHD består av kontinuitetsligningen , momentets lover , Ampers teorem (innenfor grensen for fravær av elektrisk felt og elektronspredning) og ligningene til termodynamikken ( energibesparelse ). Som enhver fluidbeskrivelse av et kinetisk system, foretas tilnærminger av varmestrømmen via adiabatiske eller isotermiske forhold .
Den resistive MHD , kalt lavmagnetisk Reynolds-tall (R m ≤ 1), beskriver magnetisert væske og ikke perfekt ledende. Vi snakker generelt om en resistivitet generert av kollisjoner mellom bestanddelene i plasmaet, som transformerer magnetisk energi til varme (Joule-oppvarming). Når resistiviteten ikke er ubetydelig, ( Reynolds nummer liten), er Alfvens teorem ikke lenger tilfreds, og den magnetiske topologien kan brytes.
I en væske betraktet som en ikke-perfekt leder, er utviklingen av magnetfeltet i væsken gitt av den resistive induksjonsligningen. Den lokale variasjonen av magnetfeltet over tid er resultatet av dets fremføring av væsken og dens diffusjon i væsken. Reynolds-tallet er det inverse av diffusjonsoperatøren, jo større det er, desto mer diffusjon kan man neglisjere med hensyn til adveksjon. Vi kan kvantifisere viktigheten av diffusjonen ved å konstruere en diffusjonstid.
For eksempel i solen estimerer vi diffusjonstiden gjennom en aktiv region (kollisjonsresistivitet) i hundrevis eller tusenvis av år, en varighet som er mye lengre enn solflekkens levetid , og vi forsømmer derfor resistiviteten (tilfelle ideell MHD). Motsatt har en kubikkmeter sjøvann en diffusjonstid målt i millisekunder , som må tas i betraktning (resistiv MHD). Sammenlignet med ideell MHD, innebærer resistiv MHD et ekstra begrep i Amperes teoremodellering av kollisjonsresistivitet.
Selv i store nok fysiske systemer og gode ledere, der det på forhånd synes at resistivitet kan ignoreres, kan sistnevnte fortsatt være viktig: mange ustabiliteter forekommer, spesielt i plasmaer, som kan øke den veldig sterkt (med en faktor på 1 milliard) ). Denne økte resistiviteten er vanligvis resultatet av dannelsen av småskala strukturer, som elektriske lagstrømmer, eller lokalisert elektronisk og magnetisk turbulens (se for eksempel elektrotermisk ustabilitet i plasmaer med høy Hall-parameter ).
Industriell MHD-gass, ved bruk av kalde plasmaer (bi-temperatur gass, utenfor likevekt, der bare elektrongassen blir oppvarmet til 10.000 K , mens resten av gassen (ioner og nøytrale) er kald rundt 4000 K ) faller inn i dette kategori av MHD lavt magnetisk Reynolds-nummer.
Avhengig av den nødvendige finheten kan den grunnleggende modellen for MHD gjøres mer kompleks ved å ta hensyn til forskjellige effekter som oppstår i væsken. Vi kan dermed lage MHD-Hall , bi-fluid MHD ...
Den flytende kjernen til jorden og andre planeter er, ifølge dagens teori, en gigantisk MHD- dynamo som genererer jordens magnetfelt (geomagnetisme). Dette fenomenet skyldtes konveksjonsbevegelsene til metallets ytre kjerne og de induserte elektriske strømningene.
De astro var det første området som er beskrevet MHD. Faktisk er den observerbare materien i universet sammensatt av mer enn 99% plasma, inkludert stjerner , interplanetar (rommet mellom planetene i et stjernesystem ) og interstellar (mellom stjerner), tåker og stråler . De solflekker er forårsaket av det magnetiske felt av den Sun , som teoretisert Joseph Larmor i 1919. solvinden styres også av MHD, som sol utbrudd (diskontinuiteter av feltlinjene og utstøting av partikler og høyenergibestråling).
MHD er involvert i design og styring av elektrolyseceller for produksjon av aluminium . Intense elektromagnetiske felt setter væske (aluminium og elektrolytt) i bevegelse ved å skape bølger som pålegger en minimumsavstand mellom aluminium og anoder.
MHD brukes teoretisk ved inneslutning av plasmaer (stabilisering, utvisning eller kompresjon), spesielt termonukleære varme plasmas i fusjonsmaskiner ved magnetisk inneslutning (for eksempel tokamaks ) eller magnetiske halsenheter (for eksempel Z-maskinen ).
MHD er også direkte i hjertet av teknologiske applikasjoner i form av elektromagnetiske maskiner uten bevegelige deler, kalt MHD-omformere , som virker på væsken ved hjelp av elektromagnetisk kraft (kalt Lorentz-kraft ) og som kan brukes:
Betongindustrielle prestasjoner ved begynnelsen av XXI - tallet er fortsatt eksperimentelle eller dekket av militærhemmelighet. De møter mange vanskeligheter: produksjon av sterke magnetfelt ved hjelp av superledende elektromagneter , generering av tilstrekkelig elektrisk kraft, ledende materialer som er motstandsdyktig mot korrosjon ... og spesielt mot MHD-gass: materialer som er motstandsdyktige mot høye temperaturer og strømtettheter , effektive gassioniseringssystemer , mestring av de teoretiske aspektene ved kalde plasmas med høye Hall-parametere , etc.
I sammenheng med magnetohydrodynamisk fremdrift kan en båt beveges fremover ved å bruke dette fenomenet: dette oppnådde japanerne med Yamato 1- båten ved å lage en MHD-dyse.
MHD-fremdrift krever bruk av elektroder. Mellom disse, når systemet krysses av en kontinuerlig intensitet, opprettes et elektrisk felt som er ortogonalt mot et magnetfelt og deretter utøver en skyvekraft, eller Laplace-kraft . Hastighetsfeltet i dysen, dannet av elektrodene og induktoren, oppnås ved bruk av Maxwells ligninger og hydrodynamikk: koblingen av hastighetsfeltet til magnetfeltet gjør det mulig å beskrive hastighetsprofilen. Innen rammen av en Hartmann-strøm (stasjonær og laminær strøm av en viskøs ledende væske antatt å være komprimerbar mellom to parallelle uendelige plater) styres hastighetsfeltet av Hartmanns lov: dette blir diskutert i henhold til verdien av Hartmann-tallet. Hvis denne typen fremdrift er fordelaktig på grunn av uavhengigheten av de elektriske og magnetiske feltene, utgjør elektrolysen forårsaket av bruk av elektroder et problem. Samspillet mellom det elektriske feltet og ionene i sjøvannet forårsaker en akkumulering av sistnevnte ved katoden, noe som resulterer i frigjøring av gass, blant annet av kalsium og magnesiumhydroksid, som er elektrisk isolerende. I tillegg til å blokkere væskens ledende egenskaper, er denne utgivelsen ekstremt støyende: ved høyt trykk ligner den fenomenet kavitasjon; fordampningen av vannet, som finner sted ved 100 ° C , introduserer en spesifikk støy som gjør det umulig for båten å forbli lite påtrengende.